專利名稱：自由曲面網(wǎng)絡(luò)智能布局方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，且特別涉及一種自由曲面網(wǎng)絡(luò)智能布局方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，建筑表皮逐漸朝著跨度更大和覆蓋空間更廣的方向轉(zhuǎn)變。在這種趨勢(shì)的影響下，一些復(fù)雜的建筑表皮曲面就需要利用一種或幾種單元結(jié)構(gòu)組合而成(李濱泉，莫天偉，建筑表皮的拓?fù)淦史諿J]，華中建筑，2008年第IO期)。建筑表面的這種網(wǎng)格單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同于有限元網(wǎng)格的劃分，它更側(cè)重于如桿件長度盡量一致、網(wǎng)格分布盡量均勻、桿件線條盡量流暢等以定性要求為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)(張浩，空間結(jié)構(gòu)曲面造型算法及程序?qū)崿F(xiàn)[D]，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，杭州2005年3月)。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步和各類工業(yè)設(shè)計(jì)軟件在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是建筑師個(gè)人獨(dú)創(chuàng)欲的發(fā)揮，各種體型怪異的"非標(biāo)準(zhǔn)"建筑不斷涌現(xiàn)。然而，為了方便制作和加工，以及美觀的要求，要求每根構(gòu)件的長度基本一致、線條流暢。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布局設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)曲面是非常方便的，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)曲面具有一定周期性或規(guī)律性。而非標(biāo)準(zhǔn)曲面則完全是自由的，很難通過解析的方法表達(dá)曲面信息，在非標(biāo)準(zhǔn)曲面上這個(gè)問題變得非常復(fù)雜。 因此，在現(xiàn)有的技術(shù)中，純粹的有限元網(wǎng)格劃分或單純的根據(jù)幾何關(guān)系進(jìn)行網(wǎng)格布置都無法在自由曲面上實(shí)現(xiàn)想要的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)無法在自由曲面上實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)布局的問題，本發(fā)明提供了一種易在自由曲面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能布局的方法。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，包括以下步驟 步驟1 :創(chuàng)建所述自由曲面的二維網(wǎng)格； 步驟2 :將所述二維網(wǎng)格映射或投影至三維曲面，形成三維網(wǎng)格；
步驟3 :將所述三維網(wǎng)格導(dǎo)入有限元模型，生成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)； 步驟4 :約束所述三維網(wǎng)格中邊界節(jié)點(diǎn)的三維自由度和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的面外自由度；
步驟5 :設(shè)定所述桿件上的預(yù)應(yīng)力，所述預(yù)應(yīng)力的大小和所述桿件的長度成正比，并在所述桿件上施加所述預(yù)應(yīng)力； 步驟6 :計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度，并更新所述三維網(wǎng)格；
步驟7 :計(jì)算所述桿件的長度變化百分比，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)百分比，判斷所述百分比是否小于所述標(biāo)準(zhǔn)百分比，若是，則停止計(jì)算；若否，則轉(zhuǎn)入步驟4。
可選的，所述標(biāo)準(zhǔn)百分比為1%。 可選的，所述預(yù)應(yīng)力的大小和所述桿件的長度之間為線性關(guān)系。
可選的，所述預(yù)應(yīng)力的大小和所述桿件的長度之間為非線性關(guān)系。
可選的，步驟5中采用有限元方法計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度。
由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的方 法具有以下優(yōu)點(diǎn)對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求低；計(jì)算速度快，而且形成的網(wǎng)格質(zhì)量較高；適用 于所有標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)曲面的網(wǎng)格布置，尤其適用于非標(biāo)準(zhǔn)曲面(或稱為自由曲面)表面的 網(wǎng)格布置，即可適用于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，選擇空間大。


圖1為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法的流程示意圖； 圖2為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的自由曲面節(jié)點(diǎn)處的法向方向示意圖； 圖3和圖4為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第一實(shí)施例示意圖； 圖5和圖6為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第二實(shí)施例示意圖； 圖7至圖9為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第三實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。 首先，請(qǐng)參考圖l，圖1為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法的流程示意圖，從
圖上可以看出，本發(fā)明一種自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，包括以下步驟 步驟ll :創(chuàng)建所述自由曲面的二維網(wǎng)格，這一步比較簡單，在一個(gè)常規(guī)的工程設(shè)
計(jì)軟件(例如AutoCAD、Rhino等)中導(dǎo)入事先給定的自由曲面和2D網(wǎng)格，如果沒有現(xiàn)成的
2D網(wǎng)格，可以繪制，繪制過程遵循兩個(gè)原則(1)確保網(wǎng)格特定的類型和拓?fù)潢P(guān)系；(2) 2D網(wǎng)
格邊界與3D曲面邊界之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，至于網(wǎng)格的大小和分布在這一步中可不必考慮，因
為它們將在后面的步驟中進(jìn)行調(diào)整； 步驟12 :將所述二維網(wǎng)格映射或投影至三維曲面，形成三維網(wǎng)格，這里可分為單 連通曲面和多連通曲面(在區(qū)域DcR2內(nèi)，如果任意兩條有同一起點(diǎn)和同一終點(diǎn)的曲線， 其中一條總可以在區(qū)域D內(nèi)連續(xù)的變動(dòng)為另一條，則稱區(qū)域D是單連通的；否則就是多連 通。)兩種情況考慮。對(duì)于單連通曲面，可以通過"投影"的方法將2D網(wǎng)格"蒙皮"到3D曲 面上；對(duì)于多連通曲面，可采用"映射"的方法將2D網(wǎng)格"蒙皮"到3D曲面上，另外，單連通 曲面和多連通曲面的"2D網(wǎng)格邊界和3D曲面邊界的對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立"方法也各有不同，單 連通曲面對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立比較簡單直接將3D曲面邊界線投影到作圖平面即為2D網(wǎng)格的 邊界線，多連通曲面對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立涉及到一個(gè)"參考域"的概念，雖然這一概念在數(shù)學(xué)上 非常復(fù)雜，但在現(xiàn)有軟件(如Rhino)的操作上卻非常簡單。這是因?yàn)槿魏我粡垬?biāo)準(zhǔn)或非標(biāo) 準(zhǔn)曲面都可對(duì)應(yīng)于一個(gè)長方形的"參考域"，而曲面的邊界則對(duì)應(yīng)長方形的四條邊。根據(jù)這 一理論，多連通曲面的"2D網(wǎng)格邊界和3D曲面邊界的對(duì)應(yīng)關(guān)系"也可以方便地建立起來了， 無論是單連通曲面的"投影"還是多連通曲面的"映射"都可以在現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)軟件(如 Rhino)中解決，建立完邊界的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，我們只需要將其余網(wǎng)格可隨意"塞入"這個(gè)長方 形的方框內(nèi)，而不必考慮該長方形的規(guī)格(可狹長、可方正)。由于這一步中的約束條件非 常少，因此很容易實(shí)現(xiàn)，在以上步驟中通過"投影"或"映射"已經(jīng)在三維曲面上形成了 3D網(wǎng) 格，且已經(jīng)滿足了拓?fù)潢P(guān)系和三維曲面造型的要求，但還有桿件的長度問題需要下一步解 決；
步驟13 :將所述三維網(wǎng)格導(dǎo)入有限元模型，生成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即在有限元軟件中建
模，即將三維網(wǎng)格的桿件轉(zhuǎn)換成有限元模型中的索單元。如在Ansys軟件中我們定義為
linklO單元，該單元只考慮受拉、不考慮受壓，類似于現(xiàn)實(shí)世界中的索單元； 步驟14 :約束所述三維網(wǎng)格中邊界節(jié)點(diǎn)的三維自由度和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的面外自由度，
通過約束節(jié)點(diǎn)的自由度來保證網(wǎng)格只在三維平面內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的約束調(diào)整，是指
節(jié)點(diǎn)在上一次計(jì)算后移動(dòng)到了的新位置，因此必須重新計(jì)算該位置處的平面外方向，并加
以約束。節(jié)點(diǎn)的平面外方向，從數(shù)學(xué)意義上講，就是曲面在節(jié)點(diǎn)處的法線方向。具體的方
法是依次由每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍的兩根桿件建立若干三角形，分別計(jì)算出每個(gè)三角形的法線方
向，然后將這些法線通過矢量求和，便為該節(jié)點(diǎn)處的曲面法線方向，請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)
明自由曲面網(wǎng)格智能布局的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的法向示意圖，涉及一種尋找曲面在節(jié)點(diǎn)處法線的方
法，圖中需要找到A點(diǎn)處曲面的法向，首先創(chuàng)建了一些輔助三角形，這些三角形的法線的朝
向可能是相反的，需要統(tǒng)一它們的朝向，然后求這些三角形法線的矢量和，得到A點(diǎn)處曲面
的法向并將其約束； 步驟15 :設(shè)定所述桿件上的預(yù)應(yīng)力，所述預(yù)應(yīng)力和所述桿件的長度成正比，并在 所述桿件上施加所述預(yù)應(yīng)力，實(shí)際操作中，桿件預(yù)應(yīng)力的賦值依據(jù)是由桿件長度與所有桿 件長度的平均值之間的差異來確定的，長的桿件賦予的預(yù)應(yīng)力大，短的桿件賦予的預(yù)應(yīng)力 小。因此，計(jì)算總是朝著桿件長度基本相同的方向進(jìn)行，并且隨著桿件長度逐漸均勻，賦予 桿件的預(yù)應(yīng)力值也逐漸收斂，所述預(yù)應(yīng)力的大小和所述桿件的長度之間可以為線性關(guān)系， 也可以為非線性關(guān)系； 步驟16 :計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度，并更新所述三維網(wǎng)格，采 用有限元方法計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度；步驟17 :計(jì)算所述桿件的長度 變化百分比，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)百分比，所述標(biāo)準(zhǔn)百分比為1% ;步驟18 :判斷所述百分比是否小 于所述標(biāo)準(zhǔn)百分比，即1%，若是，則轉(zhuǎn)入步驟19 :停止計(jì)算；若否，則轉(zhuǎn)入步驟14。
下面介紹三個(gè)實(shí)施例。 首先請(qǐng)參考圖3和圖4，圖3和圖4為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第一實(shí)施例 示意圖，圖3是初始網(wǎng)格，圖4是在圖3的基礎(chǔ)上，使用本發(fā)明提供的方法所形成的最終的 網(wǎng)格形式。本實(shí)施例說明的是(l)采用本方法可以不關(guān)心初始網(wǎng)格的形狀，只要初始網(wǎng)格 和目標(biāo)網(wǎng)格具有相同的拓?fù)潢P(guān)系，均能調(diào)整到最終網(wǎng)格的樣式；(2)由于本例是有解析解 的(最終為九個(gè)大小相同的小方塊)，因此很容易檢驗(yàn)本方法的正確性。
接著，請(qǐng)參考圖5和圖6，圖5和圖6為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第二實(shí)施 例示意圖，是足球網(wǎng)格的制作。如圖5所示，在球體表面畫上12個(gè)隨意五邊形、20個(gè)隨意六 邊形，此處的隨意是指五邊形和六邊形的形狀大小隨意，但必須保證每個(gè)五邊形周圍有五 個(gè)六邊形，每個(gè)六邊形周圍間隔著有三個(gè)五邊形和三個(gè)六邊形的拓?fù)潢P(guān)系。使用本發(fā)明提 供的方法后，自動(dòng)形成12個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形，如圖6所示，該案例說明本程序適 用于其他多種類型的網(wǎng)格。 最后，請(qǐng)參考圖7至圖9，圖7至圖9為本發(fā)明自由曲面網(wǎng)格智能布局的第三實(shí)施 例示意圖，其中圖7為創(chuàng)建的自由曲面的二維網(wǎng)格，為了顯示本方法能將初始凌亂的網(wǎng)格 最終修正成為線條流暢的網(wǎng)格，此處故意將初始網(wǎng)格設(shè)置得雜亂無章；圖8為將所述二維 網(wǎng)格映射或投影至三維曲面所形成的三維網(wǎng)格；圖9為采用本方法造型的最終結(jié)果，從圖中可以看出，網(wǎng)格過渡均勻、線條流暢，滿足建筑工程的預(yù)期目標(biāo)。 雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1創(chuàng)建所述自由曲面的二維網(wǎng)格；步驟2將所述二維網(wǎng)格映射或投影至三維曲面，形成三維網(wǎng)格；步驟3將所述三維網(wǎng)格導(dǎo)入有限元模型，生成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；步驟4約束所述三維網(wǎng)格中邊界節(jié)點(diǎn)的三維自由度和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的面外自由度；步驟5設(shè)定所述桿件上的預(yù)應(yīng)力，所述預(yù)應(yīng)力的大小和所述桿件的長度成正比，并在所述桿件上施加所述預(yù)應(yīng)力；步驟6計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度，并更新所述三維網(wǎng)格；步驟7計(jì)算所述桿件的長度變化百分比，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)百分比，判斷所述百分比是否小于所述標(biāo)準(zhǔn)百分比，若是，則停止計(jì)算；若否，則轉(zhuǎn)入步驟4。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)百分 比為1%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，其特征在于所述預(yù)應(yīng)力的 大小和所述桿件的長度之間為線性關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，其特征在于所述預(yù)應(yīng)力的 大小和所述桿件的長度之間為非線性關(guān)系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，其特征在于所述步驟5中 采用有限元方法計(jì)算施加所述預(yù)應(yīng)力之后的所述桿件的長度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自由曲面網(wǎng)格智能布局的方法，包括以下步驟創(chuàng)建所述自由曲面的二維網(wǎng)格；將二維網(wǎng)格映射或投影至三維曲面，形成三維網(wǎng)格；將三維網(wǎng)格導(dǎo)入有限元模型，生成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；約束三維網(wǎng)格中邊界節(jié)點(diǎn)的三維自由度和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的面外自由度；設(shè)定桿件上的預(yù)應(yīng)力，并在所述桿件上施加所述預(yù)應(yīng)力；計(jì)算施加預(yù)應(yīng)力之后的桿件的長度，并更新三維網(wǎng)格；計(jì)算桿件的長度變化百分比，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)百分比，判斷百分比是否小于標(biāo)準(zhǔn)百分比以確定是否完成計(jì)算，本發(fā)明計(jì)算速度快，形成的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量高，可適用于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，選擇空間大。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101739723SQ20101002298
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者盧旦, 李承銘 申請(qǐng)人:上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司